Electromagnetic characterisation of fire in radio communications

Stefânia de Sousa Faria

Key information

Authors:

Stefânia de Sousa Faria (Stefânia de Sousa Faria)

Supervisors:

Carlos Antonio Cardoso Fernandes (Carlos António Cardoso Fernandes); Nuno Ricardo Cordeiro Leonor

Published in

January 29, 2026

Abstract

Os incêndios florestais têm ocorrido com maior frequência e intensidade, tornando-se um problema recorrente. Além das complexidades durante os esforços de supressão, a situação é ainda agravada por falhas recorrentes nas comunicações via rádio em ocasiões de fogos extremos, conforme documentado em diversos relatórios. Esta tese investiga o impacto do fogo na propagação de ondas de rádio, com foco específico em incêndios florestais. Os objetivos principais consistem em examinar fenômenos relacionados com a atenuação introduzida pelo fogo, tanto de forma empírica quanto de forma teórica, a m de estabelecer métricas para estimar perdas adicionais nesses ambientes. Os mecanismos preponderantes nas perturbações em ondas eletromagnéticas durante incêndios florestais são: absorção e refração. A absorção resulta da formação de plasma durante a combustão de biomassa, em função da libertação de eletrões por elementos químicos com baixa energia de ionização que compõem a vegetação. A refração, por sua vez, ocorre devido aos gradientes de temperatura presentes na região do fogo. Embora distintos, esses mecanismos estão relacionados com variações do índice de refração, podendo levar à redução no nível do sinal transmitido e a variações severas na fase. Neste trabalho, discute-se a teoria de propagação de ondas de rádio em meios plasmáticos. O simulador Fire Dynamics Simulator (FDS) é utilizado para simular cenários de fogos, permitindo a avaliação computacional dos impactos de absorção. É proposta uma nova metodologia para estimar a atenuação geral causada por meios fracamente ionizados, integrando conceitos do modelo de plasma frio (CPM), do modelo de linha de transmissão (TLM) e da abordagem por integração de Kirchho-Huygens (KHI). Os efeitos da refração na propagação de sinais são explorados através de experiências envolvendo gradientes de temperatura gerados apenas por calor, sem o uso de fogo e combustível, a m de isolar este fenômeno. Esses efeitos são demonstrados tanto para sinais sinusoidais quanto para sinais modulados, em banda estreita e banda larga. Ao longo deste trabalho foram realizadas várias campanhas de medições na presença de fogo e dos seus subprodutos para avaliar os mecanismos responsáveis pela atenuação do sinal. Estas experiências de pequena e média escalas foram realizadas em ambientes interiores e exteriores, incorporando vários tipos de combustível, níveis de humidade, distribuições no solo e condições climáticas. As campanhas abrangeram múltiplas configurações, com frequências de operação entre 0,38 e 20 GHz, em banda estreita e banda larga. Com base nos resultados da última campanha de medições, foi desenvolvido um modelo empírico para estimar a atenuação introduzida pelo fogo na faixa de frequências de 3,5a16GHz. O modelo de atenuação, expresso em dB/m, depende exclusivamente da temperatura na região da chama e da profundidade da frente de fogo. Projetado como um método versátil, facilita a estimativa de atenuação para frentes de fogo que se estendem por vários metros. A aplicabilidade do modelo proposto, desenvolvido para auxiliar os serviços de combate a incêndios na manutenção de comunicações, foi avaliada através da reprodução de dois incêndios florestais reais em Portugal. A análise destes casos foi dividida em quatro etapas: (1) gerar padrões da frente de fogo usando o simulador Fire Area Simulator (FARSITE), (2) verificar-se o perímetro da frente de fogo intercepta o link micro-ondas estabelecido, (3) avaliar se o comprimento da chama obstrui mais de 40% do primeiro elipsoide de Fresnel nesse link e (4) aplicar o modelo de atenuação introduzida pelo fogo. Wildfires have become a recurrent global issue, with their increasing magnitude and frequency posing a growing challenge for firefighters. Beyond the complexities of suppression e orts, the situation is further exacerbated by recurrent radio communication failures during extreme re events, as documented in numerous reports. This thesis investigates the impact of re on radio wave propagation, focusing specifically on forest res. It aims to examine phenomena related to re-induced attenuation, both empirically and theoretically, and to establish metrics for estimating excess losses in such environments. The primary mechanisms identified as responsible for electromagnetic wave disruptions in wild res are absorption and refraction. Absorption results from vegetation fire plasma formed during biomass combustion as a result of electron release by chemical elements with low ionization energy found in vegetation. Refraction, in turn, occurs due to temperature gradients arising from the re region, causing signal deviations. Although distinct, these mechanisms are linked to variations in the refractive index, which can lead to signal level reductions and severe phase shifts. In this work, the theory of radio wave propagation in plasmatic media is discussed. The Fire Dynamics Simulator (FDS) is employed to simulate re scenarios, enabling computational evaluation of absorption impacts. A methodology is proposed to estimate the overall attenuation caused by a weakly ionized medium, integrating concepts from the cold plasma model (CPM), the Transmission Line Model (TLM) and the Kirchho-Huygens integration (KHI) approach. Refraction effects on signal propagation are explored through experiments involving only heat-generated thermal gradients, without using re or fuel, to isolate this phenomenon. These effects are demonstrated for sinusoidal and modulated signals, encompassing narrowband and wideband assessments. Several measurement campaigns were conducted in the presence of re and its byproducts to assess the mechanisms responsible for signal attenuation. These small-to-medium scale re experiments were conducted indoors and outdoors, incorporating various fuel types, moisture content levels, ground distributions, and weather conditions. The campaigns addressed multiple setups, with operational frequencies spanning from 0.38 to 20 GHz, including narrowband and wideband measurements. Based on the findings of the final measurement campaign, a novel empirical model was developed to estimate re-induced attenuation across the 3.5-to-16 GHz frequency band. The attenuation model, expressed in dB/m, depends solely on the combustion temperature and re front depth. Designed as a versatile method, it facilitates attenuation estimation for re fronts spanning several meters. The applicability of the proposed model, which could assist re services in maintaining reliable communications, was evaluated through the replication of two real wild res in Portugal. These case studies were evaluated considering a four-stage process: (1) generating spatial patterns of re growth and behavior using the Fire Area Simulator (FARSITE), (2) verifying whether the re front perimeter crosses the established microwave link path, (3) assessing whether the flame length obstructs more than 40% of the first Fresnel zone in this link, and (4) applying the re-induced attenuation model.